JPS62178701A - タ−ボチヤ−ジヤ用ロ−タの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はターボチャージャ用ロータの製造方法に関する
ものであり、特に、タービンホイールと回転軸との結合
方法に関するものである。

従来の技術 ターボチャージャ用ロータは、タービンホイールとコン
プレッサホイールとが回転軸により結合されて成り、近
年、エンジンの熱効率を向上させるとともに、車両の軽
量化、低燃費化等を図るためにファインセラミックスに
より製造することが試みられている。タービンホイール
および回転軸をファインセラミックス材料により一体成
形したり、タービンホイールのみをファインセラミック
ス材料によって形成し、それを金属製の回転軸と結合し
たりすることが行われているのである。

しかし、タービンホイールは複数の羽根を備えて形状が
複雑であるため、ファインセラミックス材料によって回
転軸と一体に形成する場合、成形が困難であり、量産性
が悪いという問題が生ずる上、回転軸に大きな歪が発生
し易く、品質が不安定となる。また、ファインセラミッ
クスは研削が困難であるため、仕上げ加工に時間がかか
る他、回転軸を十分な強度を備えたものとするために太
くすることが必要となる等の問題もあった。

これに対して、タービンホイールのみをファインセラミ
ックス材料によって製造し、それを金属製の回転軸と結
合する場合には、タービンホイールの成形が容易となる
他、製造時の歪の発生も少なくて済み、一定の品質のタ
ーボチャージャ用ロータが得られるのであるが、この場
合には両者を強固に結合する技術が必要である。車両用
エンジンのターボチャージャ用ロータは、回転速度が高
（、両者が強固に結合されていない場合には十分な耐久
信頼性を得ることができず、実用に供し得ないからであ
る。そのため、実開昭６０−２３２２０　号公９９には
、タービンホイールの回転軸と結合されるべき端面に嵌
合突起を設け、その嵌合突起に嵌合突起より小さい内径
を有する中空の回転軸をしまり嵌合させるとともに両者
を溶接して固定することが提案されている。

発明が解決しようとする問題点 しかし、このようにして固定しても、タービンホイール
をファインセラミックスによって、また、回転軸を金属
によって製造した場合には、両者の熱膨張率が異なるた
め、ターボチャージャの作動時と非作動時との温度変化
によって繰り返される膨張、収縮により結合強度が低下
する恐れがある。

上記公報に記載されたロータにおいては更に、コンプレ
ッサホイールに鋳ぐるまれたテンションボルトを回転軸
およびタービンホイールに挿通するとともにナツトによ
り固定し、そのテンションボルトによってタービンホイ
ールが回転軸の端面に押し付けられるようにされている
が、熱膨張による回転軸とタービンホイールとの結合強
度の低下を回避するために更に信頼性の高い結合方法の
提供が望まれている。

問題点を解決するための手段 本発明は、上記の問題を解決するために、（ａ）中空軸
状を成し、タービンホイールと結合される側の端面に軸
方向に延び出た係合突起または軸方向にくぼんだ係合凹
部を少なくとも１個備えた金属製軸部材を製造する工程
と、（ｂｌその軸部材と結合されるべき端面にその軸部
材の内径より僅かに直径が大きく、かつ、外周面に複数
の凹部が形成された嵌合軸部と、上記係合突起または係
合凹部と係合する係合凹部または係合突起とを備えたフ
ァインセラミックス製タービンホイール素材を製造する
工程と、（Ｃ１軸部材の少なくともタービンホイール素
材と結合される側の端部を熱間転造温度まで加熱する工
程と、（ｄｌその加熱された端部を嵌合軸部に嵌合させ
るとともに、係合突起と係合凹部とを係合させる工程と
、（ｅ）軸部材の嵌合軸部に嵌合された軸端部の外周面
に型を押し付けて中心側へ圧縮し、その軸端部の内周部
を嵌合軸部外周面に形成された凹部内へ膨出させる工程
とを含むものとされる。

なお、軸部材の端部と嵌合軸部とは、上記加熱状態にお
いて締り嵌合するようにしてもよく、また、嵌合後、温
度が低下した状態において締り嵌合となるようにしても
よく、要するに少なくともロータの使用温度範囲におい
ては締り嵌合した状態となり、しかも特に過大な残留応
力が生ずることがないように軸部材の端部の内径と嵌合
軸部の直径とを決定すれば良いのである。

作用および効果 このような方法によって製造されたターボチャージャ用
ロータにおいては、タービンホイールと軸部材とはそれ
ぞれに設けられた係合突起と係合凹部との係合により相
対回転を防止され、しかも、タービンホイールの嵌合軸
部と軸部材の端部とが締り嵌合させられる上、軸部材の
端部の内周部が嵌合軸部の凹部内に膨出させられること
によっても係合させられることとなる。タービンホイー
ルとそれに結合された回転軸端部とは使用時に温度が相
当高くなるのであるが、凹部とその内部へ膨出した軸部
材の膨出部とはスプラインのように寸法が小さいため熱
膨張量が少なく、両者の間に実質的にがたつきが生ずる
ような隙間は生じないのであり、タービンホイールと回
転軸とは両者の熱膨張差にもかかわらず、実用に十分な
強度で結合されることとなる。

また、このようにファインセラミックス製のタービンホ
イールと金属製の回転軸との実用可能な結合が達成され
ることにより、タービンホイールをファインセラミック
スにより単独で製造することの効果、すなわちロータの
軽量化や耐熱性、量産性２品質等の向上の効果を十分に
享受し得ることとなる。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例である製造方法によって作
られたターボチャージャ用ロータｌＯを示す図である。

このロータ１０は、Ｓｉ３Ｎ４゜Ｓ　ｉ　Ｃ，Ａ　１２
０３　、　　Ｚ　ｒ　０２等のファインセラミックス製
のタービンホイール１２と、アルミニウム合金製のコン
プレッサホイール１４とが鋼製の回転軸１６によって結
合されて成るものである。

以下、タービンホイール１２１回転軸１６の構成および
製造方法について説明する。なお、コンプレッサホイー
ル１４の構成、製造方法は従来知られているものである
ため、詳細な説明は省略する。

回転軸１６は中空の部材であり、タービンホイール１２
．コンプレッサホイール１４に結合される以前に第５図
に示されるような軸部材１８とされる。軸部材１８の一
方の端部は小径とされるとともに、その小径部の先端に
は雄ねじ部２０が形成され（この雄ねじ部２０は軸部材
１８がコンプレッサホイール１４に結合された後、形成
されることも可能である）、この雄ねじ部２０において
コンプレッサホイール１４に固定される。また、他端部
、すなわちタービンホイール１２に結合される側の嵌合
部２２はその外径が他の部分より僅かに大径とされると
ともに、端面には、直径方向に隔たった２箇所から軸方
向に延び出す一対の係合突起２４が形成される。軸部材
１８は機械加工により上記のような形状に荒加工された
後、タービンホイール１２に結合される。

また、タービンホイール１２は、回転軸１６に結合され
る以前に、第２図に示されるようなタービンホイール素
材２６とされる。タービンホイール素材２６には、その
羽根２８が形成された側とは反対側の軸部材１８と結合
される側の端面３０に、その端面３０からタービンホイ
ール素材２６と同心状に延び出す大径突部３２が形成さ
れる。

また、大径突部３２の中心部には中径突部３４が形成さ
れ、中径突部３４の中心部に、直径が前記軸部材１８の
内径より僅かに大きく、かつ、直径の２倍の長さを有す
る嵌合軸部３６が形成される。

これら大径突部３２．中径突部３４．嵌合軸部３６の各
基端部のすみにはアール部が設けられて応力集中による
割れが回避され、タービンホイール素材２６は射出成形
により上記羽根２８．突部３２．３４．軸部３６を備え
るように形成される。

また、上記嵌合軸部３６の外周面には軸方向に延びる４
個の溝３８が周方向において等角度間隔　　　゛に形成
される。これら溝３８は射出成形されたタービンホイー
ル素材２６を焼成する前に、第３図に示されるように、
カッタ４０により形成される。

さらに、中径突部３４の外周面には前記係合突起２４と
係合する一対の係合凹部４２が形成される。　　゛この
係合凹部４２も溝３８と同様に、タービンホイール素材
２６の焼成前に第４図に示されるようにカッタ４４によ
り形成されるのであり、この係合凹部４２は、その底面
が嵌合軸部３６の外周面と一致するように形成される。

以上のように形成された軸部材１８とタービンホイール
素材２６とは次のようにして結合される。

まず、軸部材１８の嵌合部２２が高周波加熱等により熱
間転造温度まで加熱された後、反対側の端部が、第６図
に示されるように、押圧装置５０の上型５２に設けられ
たチャック５４に取り付けられる。一方、タービンホイ
ール素材２６は、押圧装置５０の下型５６に設けられた
穴５８内にセットされる。この場合、軸部材１８とター
ビンホイール素材２６とは、係合突起２４と係合凹部４
２との位相が一致するようにセットされるのであり、セ
ット後、上型５２が下降させられ、係合突起２４を係合
凹部４２に締り嵌合状態で係合させつつ嵌合部２２が嵌
合軸部３６に嵌合させられる。この場合の係合突起２４
と係合凹部４２との締り嵌合を容易にするために、両者
に係合突起２４の先端側に向かって幅が減少するテーパ
が付けられることが望ましい。また、嵌合部２２の内径
、嵌合軸部３６の直径は、嵌合部２２が熱間転造可能で
あって形が崩れない程度まで加熱された状態から冷却さ
れ、軸部３６に十分綿り嵌合する大きさに選定される。

次いで、嵌合部２２の外周面に四方から型６２が押し付
けられ、嵌合部２２が中心側に圧縮される。型６２の圧
接面は嵌合部２２の外周面に対応する部分円筒面とされ
ており、この圧縮によって嵌合部２２は縮径させられて
中径部６４との径の差が小さくされる一方、第７図に示
されるように、嵌合部２２の内周部の嵌合軸部３６の外
周面に形成された溝３８に対応する部分がその溝３８内
に膨出し、それにより形成された膨出部６６が溝３８と
係合することとなる。

上記のようにして結合された軸部材１８とタービンホイ
ール素材２６とは、冷却に伴う収縮によって嵌合部２２
と嵌合軸部３６とが締り嵌合し、その締り嵌合および膨
出部６６と′ａ３８との係合によって結合されることと
なる。また、溝３８は幅が狭いものであるため、溝３８
と膨出部６６とはスプライン状に係合することとなり、
溝３８を形成しているファインセラミックスと膨出部６
６を形成している鋼とに熱膨張率の差があっても、ロー
タ使用時の温度上昇によって両者の間に実質的にがたつ
きが生ずるような隙間は生じないのであり、軸部材１８
とタービンホイール素材２６とは常に強固に結合された
状態に保たれることとなる。なお、軸部材１８には必要
であれば、タービンホイール素材２６との嵌合後に仕上
げ加工が施される。

上記のように、軸部材１８とタービンホイール素材２６
とが結合された後、軸部材１８にコンプレッサホイール
１４が固定される。すなわち、軸部材１８の雄ねじ部２
０がコンプレッサホイール１４に形成された貫通孔６８
に挿通された後、ナツト７０が螺合されるのである。

以上のようにして製造されたロータ１０においては、ト
ルクの伝達は主として係合突部２２と係合凹部２４との
係合によって行われる。また、軸部材１８とタービンホ
イール素材２６とが嵌合部２２と嵌合軸部３６とにおい
て締り嵌合させられるとともに、膨出部６６と溝３８と
がスプラインによる結合のように実質的に隙間なく係合
させられていることにより、使用時における温度上昇に
伴ってタービンホイール１２と回転軸１６とに熱膨張差
が生じても両者の結合部の隙間が実用上問題となること
はなく、回転軸１６とタービンホイール１２とは常に強
固に結合された状態に保たれることとなる。

また、このように異なる材料から成るタービンホイール
１２と回転軸１６との強固な結合が可能となり、タービ
ンホイール１２９回転軸１６をそれぞれファインセラミ
ックス、金属により別個に製造することが可能となるこ
とにより、ロータ１０のバランス取り９回転軸１６の仕
上げ加工が容易となり、製造コストを低減させ得るとと
もに、ロータ１０の小形化、軽量化、高温ガスの使用が
可能となることによるエンジンの性能向上の効果が得ら
れる。

さらに、上記実施例においては、タービンホイール１２
の回転軸１６と結合される側の端面３０と嵌合軸部３６
との間に大径突部３２．中径突部３４が形成され、その
分タービンホイール１２の軸方向の長さが増しているが
、回転軸１６は係合突起２４が中径突部３４に形成され
た係合凹部４２と係合させられて大径突部３２の端面近
くまで嵌合されており、回転軸１６との重なりによって
上記長さの増加が小さくされているのであり、また、回
転軸１６とタービンホイール１２との嵌合部を長く取る
ことができる。

また、軸部材１８とタービンホイール素材２６との結合
は、嵌合部２２と嵌合軸部３６とを嵌合させた上、型６
２により圧縮して膨出部６６と溝３８とを係合させるこ
とにより為されるため、構成がコンパクトであり、ター
ビンホイール１２とコンプレッサホイール１４との距離
を短くすることができ、また、その結合部の径を小さく
し得、ロータ１０を支持する際の軸受部として使用する
ことができる。

なお、上記実施例においては、タービンホイール素材２
６の溝３８．係合凹部４２はそれぞれカッタ４０，４４
によって形成されるようになっており、ファインセラミ
ックスは成形時点での切削は比較的容易であるため、カ
ッタによる溝等の形成は容易なのであるが、これら溝３
８．係合凹部４２は、タービンホイール素材２６を射出
成形する際に同時に成形した上、カッタにより仕上げ加
工を施して形成するようにしてもよい。

また、上記実施例においては、嵌合部２２は型６２によ
り圧縮されてその内周部が膨出するようにされていたが
、熱間転造等により圧縮し、膨出させるようにすること
も可能である。

さらに、上記実施例において溝３８は４個形成されてい
たが、４個に限定されるわけではなく、また、嵌合軸部
３６の外周面に形成される凹部は、軸方向に延びる矩形
断面の溝に限らず、断面形状が円形の溝とすることや、
凹球面によって画定される凹部あるいは嵌合軸部３６０
周方向に延びる環状の凹部とすることが可能であり、嵌
合軸部３６の外周面にスプライン状にセレーションを設
け、そのセレーション溝と嵌合部２２の内周膨出部とが
係合するようにしてもよい。

さらに、上記実施例において係合突起２４は２個形成さ
れていたが、１個以上何個設けてもよく、タービンホイ
ール１２側に係合突起を設けて軸部材１８の係合凹部と
係合させるようにすることも可能である。そして、この
場合には、結合完了後における軸部材１８の温度低下に
伴う収縮によって係合凹部と係合突起との締り嵌合の度
合が強くなる利点が生ずる。

さらにまた、嵌合部２２は大径とすることは不可欠では
なく、中径部６４と同じ大きさの径としておくことも可
能であり、回転軸１６は鋼の他、チタン系の材料によっ
て製造すれば、ロータ１０を更に軽量化することができ
る。

その他、いちいち例示することはしないが、当業者の知
識に基づいて種々の変形、改良を施した態様で本発明を
実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である製造方法によって製造
されたターボチャージャ用ロータを示す正面図（一部所
面）である。第２図は同ロータを構成するタービンホイ
ール素材を示す斜視図である。第３図はそのタービンホ
イール素材の嵌合軸部に溝を形成する状態を示す正面断
面図であり、第４図は中径突部に係合凹部を形成する状
態を示す斜視図である。第５図は上記ロータを構成する
軸部材を示す斜視図であり、第６図は軸部材とタービン
ホイール素材との嵌合工程を説明する正面図である。第
７図は第１図における■−■断面図である。 １０：ターボチャージャ用ロータ（ロータ）１２：ター
ビンホイール

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 タービンホイールとコンプレッサホイールとが回転軸に
   より結合されて成るターボチャージャ用ロータの製造方
   法であって、 中空軸状を成し、前記タービンホイールと結合される側
   の端面に軸方向に延び出た係合突起または軸方向にくぼ
   んだ係合凹部を少なくとも１個備えた金属製軸部材を製
   造する工程と、 その軸部材と結合されるべき端面にその軸部材の内径よ
   り僅かに直径が大きく、かつ、外周面に複数の凹部が形
   成された嵌合軸部と、前記係合突起または係合凹部と係
   合する係合凹部または係合突起とを備えたファインセラ
   ミックス製タービンホイール素材を製造する工程と、 前記軸部材の少なくとも前記タービンホイール素材と結
   合される側の端部を熱間転造温度まで加熱する工程と、 その加熱された端部を前記嵌合軸部に嵌合させるととも
   に、前記係合突起と係合凹部とを係合させる工程と、 前記軸部材の前記嵌合軸部に嵌合された軸端部の外周面
   に型を押し付けて中心側へ圧縮し、その軸端部の内周部
   を前記嵌合軸部外周面に形成された凹部内へ膨出させる
   工程と を含むことを特徴とするターボチャージャ用ロータの製
   造方法。